ヘテロジニアティ（不均一性）は、自然界および科学分野において最も一般的な多結晶現象の一つであり、機能性材料の特性発現に大きな影響を与えます。
同一の構成単位であっても、その空間配置の違いにより、MOF や SMF における異なるトポロジーの不均一性は、互いに異なる構造特性と多様な機能性を示すことが知られています。
一方で、COF（Covalent Organic Framework）においてヘテロジニアティが観測される例は極めて少なく、その背景には、構成セグメント間の強固な相互作用や、COF 構造決定の難しさが影響していると考えられています。
2023年11月9日、北京科技大学（University of Science and Technology Beijing）の蒋建荘（Jianzhuang Jiang）教授および王海龍（Hailong Wang）教授の研究チームは、米国国立標準技術研究所（NIST）中性子研究センターの周巍（Wei Zhou）教授の研究グループと共同で、
「Observation of Interpenetrated Topology Isomerism for Covalent Organic Frameworks with Atom-Resolution Single Crystal Structures」
と題する論文を Journal of the American Chemical Society（JACS、IF:15.0） に発表しました。
本論文では、極めて稀な COF 異性体（トポロジー異性体）が報告されており、これらの構造解析には 3D電子回折（3D ED） と 単結晶X線回折（SCXRD／SSXRD） が用いられています。
研究チームは、柔軟な分子コンフォメーションがフレームワークのエネルギー状態や COF 異性体形成に決定的な役割を果たすことを示しました。
ReadCrystal Technology は本研究に参画し、MicroED 技術（3D ED 技術、または cRED 技術としても知られる）を用いた COF 材料の微小結晶構造解析に貢献しました。
要旨
異性体をうまく制御し、その仕組みを理解することはとても重要ですが、網目状フレームワーク（reticular frameworks）では依然として大きな課題となっています。とくに COF（Covalent Organic Frameworks）の場合は、合成の複雑さやエネルギー的な要因により、その難しさが際立っています。
本研究では、
3,3’,5,5’-tetra(4-formylphenyl)-2,2’,6,6’-tetramethoxy-1,1’-biphenyl（TFTB） と
3,3’,5,5’-tetrakis(4-aminophenyl)bimesityl（TAPB） を、条件を変えて反応させることで、USTB-20-dia と USTB-20-qtz という 2 種類の三次元 COF 異性体の単結晶を得ることができました。
これらの構造は、三次元電子回折（3D ED） と シンクロトロン単結晶 X線回折 によって、それぞれ 0.9–1.1 Å の分解能で直接解析されています。
USTB-20-dia と USTB-20-qtz は、
2×2 重に貫入した dia-b 型ネットワーク、
3 重に貫入した qtz-b 型フレームワーク
という、非常に珍しい構造を示しています。
また、これらの COF の結晶構造と理論シミュレーションを比較した結果、構成分子の柔軟な立体配座が、この相互貫入型のトポロジー異性体の形成に重要な役割を果たしていることがわかりました。
本研究は、稀少な COF 異性体を明らかにするとともに、単結晶構造解析と理論シミュレーションの両面から、フレームワーク異性体がどのように形成されるかの理解を深める成果となっています。
USTB-20-dia と USTB-20-qtz は
TFTB と TAPB は、異なる条件下で以下のような縮合反応を起こしました。室温でテトラヒドロフラン（THF）中、10日間反応させると、淡黄色のブロック状の USTB-20-dia 単結晶が得られました。一方、ジクロロメタン（DCM）中、50℃で2日間反応させると、白色の USTB-20-qtz が得られました。
USTB-20-dia の単結晶構造は、100.0 K の低温で 3D 電子回折（3D ED）技術を用いて決定され、高分解能（約 0.9 Å）のデータが得られました。
MicroED（3D ED または cRED としても知られる）による結晶構造解析には、ReadCrystal が支援しました。解析に用いられた COF 材料の最小結晶サイズは約 500 nm でした。ReadCrystal は 12 セット以上のデータを収集し、その中から品質の高い 4 セットを選んで統合処理を行い、7 日間で構造解析を完了しました。
USTB-20-qtz の解析には単結晶 X 線回折（SSXRD）が用いられ、最大 1.1 Å の高い分解能が得られました。
2 種類の COF 異性体から得られた単結晶構造を比較すると、TFTB と TAPB は隣接するベンゼン環間の二面角が変化しうる柔軟な配座を示しており、これが今回観察された構造異性体の形成につながっていることが判明しました。
COF 異性体の特性評価およびガス／蒸気吸着特性の解析
USTB-20-dia と USTB-20-qtz のフーリエ変換赤外分光（FT-IR）スペクトルでは、1627 cm⁻¹ に特徴的な C=N 伸縮振動が観測されました。また、1700 cm⁻¹ には弱い C=O 伸縮振動が残存し、3344〜3461 cm⁻¹ に見られるはずの N−H 伸縮振動は消失していました。これらの変化は、TFTB のアルデヒド基と TAPB のアミン基との間でイミン縮合が成功したことを示しています。
USTB-20-dia を活性化して得た USTB-20a-dia では、3.95°、4.13°、5.86° に PXRD のピークが現れ、合成された COF 構造と一致し、USTB-20-dia が比較的硬い（剛直な）フレームワークであることがわかりました。一方で、USTB-20-qtz を活性化すると、得られた USTB-20a-qtz の PXRD パターンは新鮮なサンプルとは異なり、活性化後の相は合成直後の相と比べてより圧縮された構造を示していました。
USTB-20a-dia と USTB-20a-qtz は、ともに窒素雰囲気下での熱重量分析により 400°C まで質量が安定であり、良好な熱安定性と多孔質特性を持つことが確認されました。USTB-20a-dia の 77 K における N₂ 吸着等温線は Type I の曲線を示し、微細孔（マイクロポア）構造を有することがわかります。
USTB-20a-dia の BET 比表面積は 2436 m² g⁻¹ でした。異性体である USTB-20a-qtz も Type I の N₂ 吸着曲線を示しましたが、1.0 bar・77 K における吸着量は 443 cm³ g⁻¹ と低く（図3f）、BET 比表面積は 1672 m² g⁻¹ に留まりました。
特に注目すべき点として、USTB-20a-qtz の実測細孔容積は 0.69 cm³ g⁻¹ であり、シンクロトロン単結晶構造シミュレーションから得られた理論値 1.15 cm³ g⁻¹ を大きく下回っていました。これは、活性化後の材料が、合成直後の構造と比較してより圧縮された構造を持つことを示しています。
COF 異性体の形成メカニズム
dia-b トポロジーのフレームワークにおいては、
dia-c(1)、dia-c(1×1)a、dia-c(1×1)b、dia-c(2×1)、dia-c(2×2)
へと相互貫入数が増えるにつれて（ここで a と b は二重貫入フレームワーク内の異なる対称性を示す）、隣接ネットワーク間のファンデルワールス相互作用が強くなるため、密度が増加し、相対エネルギーが低下する傾向が見られます。
この傾向は、qtz-b トポロジーでも同様で、qtz-c(1) から qtz-c(3) へと相互貫入が進むにつれて同じ挙動が確認されます。
相互貫入していない dia-c(1) フレームワークの相対エネルギーは qtz-c(1) よりわずかに低く、dia-b トポロジー構造の方がより安定であることが示唆されます。
また、COF 異性体の結晶構造を比較すると、USTB-20-qtz には一定の「歪み」や「張力」が存在しており、この結論をさらに裏付けています。
三重貫入ネットワークを持つ qtz-c(3) 構造は、2×2 貫入ネットワークを持つ dia-c(2×2) 構造よりもわずかに高い相対エネルギーを示します。
これは、dia-c(2×2)（＝USTB-20-dia）の方がより高い安定性を持つことを意味しています。